操作系统学习笔记4 | CPU管理 && 多进程图像

操作系统的核心功能就是管理计算机硬件，而CPU就是计算机中最核心的硬件。而通过学习笔记3的简史回顾，操作系统通过多进程图像实现对CPU的管理。所以多进程图像是操作系统的核心图像。

参考资料：

课程：哈工大操作系统（本部分对应 L8 && L9）
实验：操作系统原理与实践_Linux – 蓝桥云课 (lanqiao.cn)
笔记：操作系统学习导引 · 语雀 (yuque.com)

1. 从使用CPU开始直观理解CPU管理

要想管理CPU，就要知道如何使用CPU。

CPU的工作原理已经很熟悉：

取指执行
- 程序存放在内存中，每段指令对应一个地址
- CPU发出取指命令，将想去地址通过地址总线传到PC
- 内存根据地址取出对应地址的指令
- 从总线传回，CPU解释执行

所以，管理CPU最直观的方法就是，设置PC的初值，CPU就能按照规则依次执行下去。

这一点在计组实验的前四周手摇实验室设备进行指令执行，也可以有类似的印象。

这样做有什么问题？

来看下面一段程序

int main(int argc,char* argv[]){
    int i,to,*fp,sum=0;
    to = atoi(agv[1]);
    for(i = 1; i <=to; i++){
        sum = sum + i;
        fprintf(fp,"%d",sum);
    }
}

如果要让CPU工作，就是要让PC指向这段程序的起始地址。
但是！程序和程序之间是不一样的。例如将fprintf()替换为其他计算语句

fprintf()是一个IO指令，而替换为计算语句则成为计算指令
替换前后的运行时长进行比较，则前者:后者≈10⁶:1

说明，IO特别慢
而假设我们遇到一种程序，有10⁶个计算指令，然后一条IO指令，如果还是按照上面所说的设置PC初值，让其自动执行，那么对于CPU来说，其忙碌的计算指令只占到了总时长的一半（另一半在等待IO），利用率不高。

而如果IO语句再多一点，CPU利用率就更低了。

怎么办？

2. CPU管理的核心：并发

举一个烧水的例子，首先往烧水壶里倒水，然后放在插座上，然后就可以去做别的事情了，等烧水壶响了，这就是中断，这时我们就可以来用烧水壶里的热水了，烧水的过程就类似IO
所以解决方案为：多道程序交替执行，一个CPU上交替执行多个程序，即并发

这样一道程序执行到像IO这样慢的步骤时，CPU切换到另一个程序进行，而另一个程序进入等待后，再切换回来。

可见，上图两个程序A、B充分利用了CPU的计算资源，总时长从80降到了45.

注意两个名词：并行和并发：

并行多人同时工作，并发一个人交替工作。

并且这里一个隐含条件是切换程序的开销要小于运行程序的开销。

如何实现并发呢？

即控制 PC 进行切换
适当的时候修改PC，使得PC指向另一个程序的指令，但是只修改PC会有问题
例如下图左右两个程序，当PC按照逻辑切换回地址53继续程序1的执行，那么ax和bx寄存器应当存储什么值？

很显然，如果要继续程序1，当然应当为1 和 1，而不是 10 和 10.

所以当程序切换时，除了切换PC，还要切换很多内容
我们需要记录 切换前的上下文，保护现场。
每个程序有一个存放信息的结构：PCB，process control block，进程控制块。

就像我们正在看书，突然被人叫走做别的事，我们就应当停下来，记录当前页码以及故事情节，然后离开，这样回来后才能继续阅读。
这样，我们实际运行过程中的程序，就跟我们单纯汇编得到的代码不一样了。即运行程序和静态程序不一样。

不同之处简单来说就在于需要PCB来记录程序运行起来的样子。

而程序 + 所有这些不一样 —> 进程
如何描述这种不同呢？

!进程! 这个概念就用来刻画运行中的程序。比如上图中的程序1 和程序2，就是两个进程。

也即进行中的程序，名字其实很形象。

进程有开始、结束，程序没有；

进程会走走停停，是动态的，有状态的，而程序没有；

进程需要记录ax,bx….. 程序不用；

3. 简单总结1

到这里，我们进程描述CPU的管理：
- 使用CPU：启动一个进程，让CPU去执行这个进程；
- 更高效的使用CPU：启动多个进程，让CPU去执行多个进程；
- 跑多个程序/进程的样子，就是CPU管理的核心样子。
  
  这就是多进程图像。

4. 多进程图像

前文讲到，为了让CPU更好的工作，我们需要让CPU执行多进程，而这个过程如何表征呢？

对于用户而言
- 就是一个个 PID 进程号；
- 可供用户查看各进程运行情况；
对于下层操作系统而言
- 负责管理各个进程；具体为记录情况、按照合理的次序推进；
- 分配资源、进行调度；

多进程图像从开机一直存在到关机结束。

4.1 开机到关机过程中的多进程图像

系统启动时，最后启动的 main.c 中最后执行了fork()
```
if(!fork()){init();}
// fork,启动进程的接口
```
代码意思是：启动一个进程，执行init() ，即执行 shell，接下来就能再 shell 里操作，这就是计算机提供给用户使用的界面（初代版本）。

可以理解为，操作系统要让用户使用计算机，需要创建一个初始化的进程。

补充1：

shell是一个子进程，父进程（main函数）因为成功创建子进程，所以fork()>0 不进init 而子进程fork()==0 进入init，启动shell

补充2：

fork()函数返回值是0或1，返回0代表当前进程是新fork出来的子进程，非零（也就是为1）代表当前进程为父进程， if条件里的就是父进程的逻辑，一直等待用户输入命令，然后执行，一直重复进行

shell 再根据用户输入启动其他进程，执行用户的命令也是在创建进程；

// shell 的核心代码
int main(){
    while(1){
        scanf("%s",cmd);
        if(!fork()){
            exec(cmd);
            wait();
        }
    }
}

此后，计算机每执行一个任务，就开启一个进程。

4.2 查看当前进程情况 | 任务管理器

在 win10 以上版本中，Ctrl + Shift + Esc 就可看到任务管理器。

其中Explorer是整个Windows的文件系统，如果关掉整个进程，就只能看见背景了。
如果感觉计算机特别慢，就可以打开任务管理器，查看占用CPU资源比例大的进程。
操作系统就是通过管理进程，来管理用户对计算机的使用。

4.3 操作系统如何实现多进程图像

为了实现多进程图像，操作系统都应该解决哪些问题？

多进程如何组织？

多进程如何切换？

多进程交替时，如何相互影响？

多进程如何组织？也即多进程如何存放？
- 操作系统感知进程依赖于PCB，组织和存放进程也靠PCB，通过PCB形成一些数据结构（队列），来组织多进程；如下图：
  
  PCB在这里相当于结构体，组成数据结构的基本单位。
- 组织好多进程，才能合理推进多进程。
如何推进多进程？
- 一个进程正在执行
- 另一些进程在排队（就绪队列）等待执行
- 还有一些在等待触发事件，即使排到也不能调度执行
  
  比如上图中的第三列PCB，在等待磁盘操作。
  
  PCB是用来记录进程信息的数据结构
- 总结：多进程对应的PCB分别放在不同的地方，执行不同的处理。
- 把进程通过状态区分开来，通过操作系统对进程状态的转移控制，多进程就向前推进了。
多进程如何交替/切换？

这部分后续会详细讲解，下面还是简略的过程。
- 情境：一个进程启动磁盘读写，等待时进行切换。
  
  下图展示了关键代码，代码注释见图中红色字体；
- schedule()函数是重点，即调度函数；
- 下图中的getNext从就绪队列中挑出下一个需要占用CPU的进程；
  
  选择哪一个进程合适，即进程调度问题，也会用一讲来讲解。
- switch_to就是用 PCB 进行进程上下文的切换，pCur、pNew分别指当前进程的 PCB 和调度得到的下一个进程的 PCB ，即进行执行现场的更替。
  交替的三部分：
  - 队列操作+调度+切换
进程如何调度？
- 这里先讲两个基础调度算法。
  - FIFO，First In First Out.
    - 显然是比较公平的策略，但是没有考虑进程执行的任务轻重缓急；
  - Priority.
    - 对进程赋予优先级，但如何赋予也是个问题。
切换进程
- 调度找到下一个占用CPU的进程后，就要进行切换；
  
  这个过程需要精细控制，所以需要 汇编代码，下图为伪代码；
- 做的事情也不难想象，先把将要停下的进程信息保存到PCB1中（将当前CPU的各种信息（寄存器等）保存到pCur中），
  
  再从将要进行的进程的PCB2中取出信息赋到对应寄存器/位置（将pNew中的寄存器等信息恢复到CPU中）
多进程交替时，如何相互影响？

互斥、锁的概念。
- 多进程看似不打照面，但实际上它们同时在一个内存来存放。
  
  多个进程交替执行会相互影响，包括正面的多进程合作，负面的内存地址冲突等等
- 比如，进程1中，修改了某个地址的值，而这个地址，正好时进程2 包含的地址，这时就会引起进程2崩溃。
- 如何解决进程间矛盾？
  
  限制对进程2地址的读写。即：!内存映射!
  
  其实涉及内存管理了，可见内存管理也服务于CPU管理的多进程图像。
  
  通过一个映射表，将真实物理地址转化为虚拟存储地址；
  
  两个进程的100内存地址，是虚拟逻辑地址，会映射到不同的物理内存；下图中展示了两个进程的100地址分别映射到了物理地址780和1260
- 还有一些时候，进程之间需要进行合作，如何进行进程间合作？

- 举例1（浅显）：
- - 不同的应用程序提交打印任务，打印任务会被放到“待打印文件队列”
  - 打印进程会从“待打印文件队列”中一个接一个的取出打印任务，控制打印机打印
  - 如果对存入打印进程的任务不进行管理，如任务1没放完，任务2就开始放，后面切换时就会出现顺序执行所不会遇到的乱序问题。
- 举例2（稍深）：生产者-消费者实例
- - 、
  - 生产者和消费者通过共享数据buffer[]进行合作
  - 如果缓冲区满了，就不应该再放了，
    
    用counter记录，如果==buffer_size，说明满了，死循环；没满则counter++；
    
    如果要避免缓冲区满而还向里放的情况，counter 这个信号量必须要保持正确（我突然感觉这是工程代码调试的一个关键）
  - 如果多个进程都在内存中交替执行，counter可能就会出错。
    
    下面是个具体的例子：
    
    初始counter=5，生产者执行counter++，消费者执行counter–，在寄存器层面将会是：
```
// 生产者P
register = counter;
register = register+1;
counter = register;

// 消费者C
register = counter;
register = register -1;
counter = register;
```
    当生产者的程序执行到中间切换到消费者，可能的代码序列如右上角所示，counter 直接乱了。后续合作就也会乱套。
  - 解决合作问题（合作各方的合理推进顺序）的核心在于 !进程同步!
    
    给 counter 上锁，即写 counter 时阻断其他进程访问 counter.

5. 简单总结2

理解CPU管理的基本想法
直观感受了操作系统的多进程
具体了解了多进程图像，探讨了操作系统如何实现多进程图像。

补充操作系统多进程图像的发展：

批处理（顺序）—>多道程序处理—->分时系统
这时多进程图像的大致轮廓，后续会一一展开：

原创文章，作者：ItWorker，如若转载，请注明出处：https://blog.ytso.com/tech/aiops/281223.html